引言

　　計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及芯片制造技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了工業(yè)監(jiān)視、控制、檢測等領(lǐng)域的不斷進步。近年來，作為一種工業(yè)通信手段，無線技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，成為工業(yè)通信市場的增長點，引起了愈來愈多人的關(guān)注。相比于有線技術(shù)，無線技術(shù)有如下的優(yōu)點：

　?。?）節(jié)約成本，建立方便。有線通信的建立必須通過物理鏈路，布置線纜費時費力，有時，由于某些工業(yè)環(huán)境（如高溫高壓）及其地理位置（如經(jīng)過湖泊、林區(qū)等）的特殊性，不易布線。即使建好以后，還易遭受雷擊、環(huán)境的腐蝕及鼠蟲的嚙咬；一旦出了故障，不但不易查找，維修起來也很不方便。相比而言，無線技術(shù)就要便利的多，無需布線，故障診斷也很容易，可以借助網(wǎng)絡(luò)進行遠程診斷。

　?。?）追加節(jié)點，擴展性強。一個通信網(wǎng)絡(luò)建好以后，往往因為某種原因增加新的設(shè)備節(jié)點，如果采用有線方式就要追加布線，更極端的情況可能破壞原來的通信鏈路。但是，如果采用無線組網(wǎng)，就可以在已有的無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上， 增加無線接入點（WirelessAccess Point,WAP） ,修改少量的軟件設(shè)置就可以達到擴展節(jié)點的目的。

　?。?）移動靈活，不受限制。對于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點而言，只要它能執(zhí)行自己的功能，可以把節(jié)點放置到某個工業(yè)區(qū)域的任何地方，物理移動有著很大的自由性。

　　（4）抗干擾強，安全可靠。無線技術(shù)有自己的安全協(xié)議，有獨特的加密算法，不易被竊聽；由于采用了擴頻或跳頻技術(shù)，具有很好的抗干擾性，這在惡劣的工業(yè)環(huán)境中極為重要。

　　基于上述的種種優(yōu)點，無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域引起了愈為廣泛的關(guān)注。隨著各種新鮮的無線技術(shù)的誕生，無線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域正展現(xiàn)著美好的應用前景。在這些技術(shù)中， Zigbee和UWB無疑是耀眼的兩項。

　　1　Zigbee技術(shù)

　　Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。Zigbee是IEEE 802.15. 4技術(shù)的商業(yè)名稱。該技術(shù)的協(xié)議由2000年12月成立的IEEE 802. 15. 4工作組制定，而高層應用、互聯(lián)互通測試和市場推廣由Zigbee 聯(lián)盟負責。Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，目前包括英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導體公司等在內(nèi)的百余家著名企業(yè)。

　　Zigbee的協(xié)議主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)/安全層、應用框架及高層應用規(guī)范構(gòu)成。其中IEEE 802. 15. 4負責物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準； Zig2bee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡(luò)層及應用層的研發(fā)。Zigbee協(xié)議棧如圖1所示。

圖1　Zigbee協(xié)議棧

　　Zigbee技術(shù)的主要特點如下：

　　（1）功耗低。在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上，這也是Zigbee 支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。

　　（2 ） 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10 ～250 kb/s,專注于低傳輸應用。

　?。?）成本低。Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，大大降低了成本。預計今年年底一個Zigbee芯片價格將降到3美元。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)容量大。網(wǎng)絡(luò)可容納65 536個節(jié)點。

　?。?）有效范圍小。有效覆蓋范圍10～75 m,具體根據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同的應用模式而定。

　　（6）工作頻段靈活。使用的頻段分別為2. 4GHz（） 、868MHz （歐洲）及915 MHz （美國） ,均為免執(zhí)照頻段。

　?。?）安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES - 128加密算法。

　?。?）可靠。采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭與沖突。

　　（9）時延短。Zigbee通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，設(shè)備搜索時間典型值為30 ms,設(shè)備激活時間典型值為15 ms,活動設(shè)備接入時間為15 ms。

　　Zigbee主要應用于數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，如醫(yī)療護理（監(jiān)視器和傳感器）和工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等。其中典型的應用是自動抄表系統(tǒng)。目前GPRS/CDMA無線抄表系統(tǒng)成本相對較高，而且還要向電信運營商支付一定費用，另一種電力線聯(lián)網(wǎng)（ PLC）技術(shù)運行則不十分穩(wěn)定。比較而言，應用Zigbee網(wǎng)絡(luò)的抄表系統(tǒng)由電力局自行建網(wǎng)，無需交納額外的費用，此外，Zigbee網(wǎng)絡(luò)超大的容量一般可以滿足覆蓋的要求，因此Zigbee在無線自動抄表領(lǐng)域具有廣闊的前景。

　　此外在井下無線監(jiān)控、工業(yè)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測、污水監(jiān)測、氣體監(jiān)測上Zigbee也有著明顯的優(yōu)勢。

　　隨著傳感器及通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor networks,WSN）的概念已深入人心。Zigbee在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用上有著無以倫比的優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成、通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有監(jiān)測高、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點。WSN 可應用于工業(yè)自動化、設(shè)備故障診斷、惡劣環(huán)境生產(chǎn)過程監(jiān)控等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要目標是能源的高效利用，也就是說，在保證正常的監(jiān)測功能的情況下，盡可能少的消耗節(jié)點的能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在這一點上，它與Zig2bee的設(shè)計目標相同。其次。傳感器網(wǎng)絡(luò)要求每個節(jié)點的成本要盡可能的低，只有這樣，一個網(wǎng)絡(luò)才可能擁有比較多的節(jié)點，在個別節(jié)點失效的情況下可以迅速的重新規(guī)劃路由，不致于使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。再者，Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以同時容納65 000多個節(jié)點，足以保證多源數(shù)據(jù)采集。

　　一個傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4部分構(gòu)成，是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

　　匯聚節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

　　用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，可以利用Zigbee節(jié)點作整個網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點，在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點內(nèi)嵌Zigbee協(xié)議棧，實現(xiàn)基本的Zigbee網(wǎng)絡(luò)功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點，并接受匯聚節(jié)點對其下達的任務及命令。利用一個微處理器+ GPRS模塊作匯聚節(jié)點，用以連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)TCP /UDP等協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包封裝成幀，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給主控制室，并將主控端的命令解封裝，傳達給傳感器節(jié)點。在用戶端接一個GPRS模塊及PC機服務器做硬件平臺，軟件包含數(shù)據(jù)庫等，對收到的數(shù)據(jù)進行分析，并對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理。

　　Zigbee自身的特點決定了它只能應用在短距低速的場合，在工業(yè)監(jiān)測中，有許多時候需要的是實時的圖像，這就需要高速的數(shù)據(jù)傳輸率，顯然，在這點上， Zigbee有著致命的缺陷。UWB技術(shù)的出現(xiàn)使這種應用需求成為可能。

　　2　UWB超寬帶無線技術(shù)

　　UWB （UltraW ide Band,超寬帶）是一種以占空比很低的沖激脈沖作為信息載體的無載波通信技術(shù)。FCC （美國聯(lián)邦通信委員會）規(guī)定，UWB通信系統(tǒng)采用的頻段是3. 1～10. 6 GHz,這樣可以保證現(xiàn)有的GPRS、蜂窩系統(tǒng)不被干擾。UWB 與傳統(tǒng)的通信技術(shù)的區(qū)別在于：超寬帶依賴于脈沖串傳遞信息，它將信息調(diào)制到離散脈沖信號上，然后直接發(fā)射窄脈沖進行通信；而傳統(tǒng)的通信技術(shù)則采用帶通載波調(diào)制，它把含有信息的波形搬移到相應的正弦載波上發(fā)射。所以超寬帶又稱為基帶（ baseband）傳輸技術(shù)或是無載波（ carrier - free）傳輸技術(shù)。

　　由于超寬帶幾GHz的超寬頻帶，所以比起其他傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，超寬帶技術(shù)有以下優(yōu)勢：

　?。?）抗干擾能力強。UWB 發(fā)射信號時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率非常小，而且由于它和目前的通信系統(tǒng)工作頻段不同，互不干擾。

　?。?）傳輸速率高。數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾十至幾百Mb/s。

　?。?）消耗能量少。由于不使用載波，僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量，從而節(jié)約了發(fā)射續(xù)載波時的大量能耗。

　?。?）安全性好。由于采用跳時擴頻技術(shù)，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。

　?。?）的定位能力。UWB系統(tǒng)具備良好的時間解析能力，能夠的測距與定位。由于UWB還具有極強的穿透能力，可以在室內(nèi)和地下定位。

　　UWB的通信距離在10 m之內(nèi)，考慮到它高達幾百Mb/s的通信速率，其特別適用于近距高速的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)無線USB 方案。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如在測量、檢測（地下物體探測）中可以得到廣泛的應用。

　　工業(yè)生產(chǎn)、檢測、監(jiān)控等許多方面需要的是實時的圖像和聲音，而圖像和數(shù)字化的聲音數(shù)據(jù)量非常大，以一幅640 ×480分辨率、色彩為24位/像素的實時視像為例，它的圖像數(shù)據(jù)量為7. 37 Mb /幀，數(shù)據(jù)傳輸率為184 Mb/s,顯然，如此大的數(shù)據(jù)率是許多無線技術(shù)無法完成的。因此，在實際應用中，可以在攝像頭端接一個微處理器，對實時圖像進行簡單的壓縮處理，經(jīng)過處理后，可以將數(shù)據(jù)率要求降到幾十Mb/s,然后利用UWB技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)米開外的中心控制室。如果需要遠程監(jiān)控的話，在中心控制室與遠程端可以通過LAN和其他網(wǎng)絡(luò)連接。整個通信框架大體如圖3所示。

圖3　一個UWB工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)

　　UWB有著的定位能力和極低的功耗，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果可以知道各點的位置，就可以規(guī)劃出方便有效的路由算法，在軟件層次上降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗。當然， 基于定位的功能，UWB對“移動”的信息比較敏感，因此在物品流動比較頻繁的場合（如貨倉等） ,基于UWB 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好的發(fā)揮自己的長處。

　　3　Zigbee與UWB的比較

　　Zigbee與UWB技術(shù)都是低功耗、短距離無線通信方式，有著各自的優(yōu)缺點，在自動化領(lǐng)域里它們也有著自己的應用空間，這是由它們自身的技術(shù)特點決定的。它們的區(qū)別就是數(shù)據(jù)傳輸率。表1是對二者的一個比較：

　　4　結(jié)語

　　Zigbee技術(shù)與UWB技術(shù)是時下無線通信市場的的技術(shù)之一，是無線網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分，它們有很多其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里有著巨大的應用潛力。相信在不久的將來，隨著這兩種技術(shù)的不斷完善，它們將進一步促進無線技術(shù)在工業(yè)動化領(lǐng)域的應用，推動工業(yè)自動化蓬勃地向前發(fā)展。